半导体知识优秀课件.ppt
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1、半导体知识第1页,本讲稿共72页目录目录固体能带理论半导体材料硅的晶体结构半导体特性载流子的复合与寿命载流子的传输P-N结二极管性质硅材料的物理化学特性第2页,本讲稿共72页固体的能带理论固体的能带理论 能带的形成能带的形成原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下,它们分别在不同的能级上,形成电子壳层。晶体中,各个原子互相靠的很近,不同原子的内、外壳层都有一定的重叠,电子不在局限在某一个原子中,可以由一个原子转移到相邻的原子上,导致电子共有化运动,结果使孤立原子的单一能级分裂行成能带。根据电子先填充低能级的的原理,下面的能带先填满电子,这个带被称为价带或满带,上面的未被电子填满的能带或空能
2、带称为导带,中间以仅带相隔。已被电子填满的能带称为价带第3页,本讲稿共72页固体的能带理论固体的能带理论 能带的形成能带的形成电子在原子之间的转移不是任意的,电子只能在能量相同电子在原子之间的转移不是任意的,电子只能在能量相同的轨道之间发生转移的轨道之间发生转移.当电子获得足够能量的时候将越过当电子获得足够能量的时候将越过禁带发生跃迁。禁带发生跃迁。能带能带禁带禁带能带能带禁带禁带能带能带第4页,本讲稿共72页固体的能带理论固体的能带理论 金属、绝缘体、半导体金属、绝缘体、半导体绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体EcEvE9E9导导带带禁禁带带价价带带第5页,本讲稿共72页固体的能带理论固体的能
3、带理论 金属、绝缘体、半导体金属、绝缘体、半导体导体:能带交叠,即使极小的外加能量就会引起导电。绝缘体:能带间距很大,不可能导电。半导体:禁带比绝缘体窄很多,部分电子因热运动从价带跳到导带,使导带中有少量电子,价带中有少量空穴,从而有一定的导电能力。第6页,本讲稿共72页固体的能带理论固体的能带理论 金属、绝缘体、半导体金属、绝缘体、半导体物体的导电能力,一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大,说明这种材料的导电能力越弱。物体电阻率 导体 半导体 绝缘体 CM10e9第7页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构硅太阳电池生产中常用的硅(Si),磷(P),硼(B)元素的原
4、子结构模型如下:第三层第三层4个电子个电子第二层第二层8个电子个电子第一层第一层2个电子个电子Si+14P+15B最外层最外层5个电子个电子最外层最外层3个电子个电子siPB第8页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构 原子最外层的电子称为价电子,有几个价电子就称它为几族元素。若原子失去一个电子,称这个原子为正离子,若原子得到一个电子,则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。第9页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有
5、确定的熔点,而非晶体没有确定熔点,加热时在某一温度范围内逐渐软化,如玻璃。第10页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构单晶和多晶的区别 在整个晶体内,原子都是周期性的规则排列,称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。第11页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构硅晶体内的共价键硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的个价电子和它相邻的4个原个原子组成子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为对共有电子对。这种共有电子
6、对就称为“共价键共价键”。第12页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构硅晶体的金刚石结构硅晶体的金刚石结构 晶体对称的,有规则的排列叫做晶体格子,晶体对称的,有规则的排列叫做晶体格子,简称晶格,最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的简称晶格,最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的几个晶胞:几个晶胞:(a)简单立方简单立方(Po)(b)体心立方体心立方(Na、W)(c)面心立方面心立方(Al、Au)第13页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构 金刚石结构是一种复式格子,它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成。正四面实体结构正四面实体结构金钢石结
7、构金钢石结构第14页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上,这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。(100晶面晶面)(110晶面晶面)(111晶面晶面)第15页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构原子密排面和解理面 在晶体的不同面上,原子的疏密程度是不同的,若将原子看成是一些硬的球体,按照下图方式排列的晶面就称为原子密排面。第16页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在
8、一起,相互之间沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶 面上原子排列的情况。第17页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构(100)(110)(111)第18页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构金钢石晶格是由面心立方晶格构成,所以它的(111)晶面也是原子密排面,它的特点是,在晶面内原子密集、结合力强,在晶面之间距离较大,结合薄弱,由此产生以下性质:1、由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱,在外力作用下,晶体很容易沿着(111)晶面劈裂,晶体
9、中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。第19页,本讲稿共72页半导体材料硅的晶体结构半导体材料硅的晶体结构 2、由于(111)密排面结合牢固,化学腐蚀就比较困难和缓慢,而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快,选择合适的腐蚀液和腐蚀温度,(100)面腐蚀速度比(111)面大的多,因此,用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果,可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体,形成绒面状的硅表面。第20页,本讲稿共72页半导体的导电机理不同于其它物质,所以它具有不同于其它物质的特点。例如:当受外界热和光的作用时,它的导电能 力明显变化。往纯
10、净的半导体中掺入某些杂质,会使 它的导电能力明显改变。半导体的特性第21页,本讲稿共72页半导体的特性半导体的特性 导电特性导电特性导电能力随温度灵敏变化 导体,绝缘体的电阻率随温度变化很小,导体温度每升高一度,电组率大约升高0.4%。而半导体则不一样,温度每升高或降低1度,其电阻就变化百分之几,甚至几十,当温度变化几十度时,电阻变化几十,几万倍,而温度为绝对零度(-273)时,则成为绝缘体。第22页,本讲稿共72页半导体的特性半导体的特性 导电特性导电特性导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时,它们的导电能力就会变得很强,没有光线时,它的导电能力又会变得很弱。杂质的显著影响 在纯
11、净的半导体材料中,适当掺入微量杂质,导电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。其他特性 温差电效应,霍尔效应,发光效应,光伏效应,激光性能等。第23页,本讲稿共72页半导体的特性半导体的特性 导电过程描述导电过程描述纯净的半导体,在不受外界作用时,导电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下,晶体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时形成一个电子空位,称之为“空穴”。从能带图上看,就是电子离开了价带跃迁到导带,从而在价带中留下了空穴,产生了一对电子和空穴。如图,通常将这种只含有“电子空穴对”的半导体称为本征半导体。“本征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电
12、子和空穴的移动来导电的,因此,电子和空穴被统称为载流子。第24页,本讲稿共72页半导体的特性半导体的特性 导电过程描述导电过程描述导带导带(禁带宽禁带宽)价带价带第25页,本讲稿共72页 半导体的特性本征半导体结构GeSi通过一定的工艺过程,可以将半导体制成晶体。现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们的最外层电子(价电子)都是四个。第26页,本讲稿共72页本征半导体:完全纯净的、结构完整的半导体晶体,纯硅 9-10个9,电阻率250000.cm。在硅晶体中,原子按四角形系统组成晶体点阵,每个原子都处在正四面体的中心,而四个其它原子位于四面体的顶点,每个原子与其相临的原子之间形成共价键,共
13、用一对价电子。硅的晶体结构:第27页,本讲稿共72页硅的共价键结构硅的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第28页,本讲稿共72页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中,称为束缚电子,常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子,因此本征半导体中的自由电子很少,所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后,每个原子的最外层电子是八个,构成稳定结构。共价键有很强的结合力,使原子规则排列,形成晶体。+4+4+4+4第29页,本讲稿共72页二、本征激发二、本征激发在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子(即载流子)
14、,它的导电能力为 0,相当于绝缘体。在常温下,由于热激发,使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价键上留下一个空位,称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴第30页,本讲稿共72页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第31页,本讲稿共72页2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下,空穴吸引附近的电子来填补,这样的结果相当于空穴的迁移,而空穴的迁移相当于正电荷的移动,因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子,即自由电子和空穴。第32页,本讲稿共72页温度越高,载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强,温度是影
15、响半导体性能的一个重要的外部因素,这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成:1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。第33页,本讲稿共72页 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也称为(空穴半导体)。N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体,也称为(电子半导体)。第34页,本讲稿共72页半导体的特性半导体的特性 N型半导体(施主掺杂)型半导体(施主掺杂)施主施主能级能级导带导带电离能电离
16、能价带价带第35页,本讲稿共72页N 型半导体在硅晶体中掺入少量的五价元素磷,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。第36页,本讲稿共72页+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的载流子是什么?1.由施主原子提供的电子,浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所以,自由电掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度,所
17、以,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子(多子多子),空穴称为,空穴称为少数载流子少数载流子(少子少子)。)。第37页,本讲稿共72页半导体的特性半导体的特性 P型半导体(受主掺杂)型半导体(受主掺杂)导带电离能价带受主能级第38页,本讲稿共72页P 型半导体型半导体在硅晶体中掺入少量的三价元素,如硼,晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子的最外层有三个价电子,与相邻的半导体原子形成共价键时,产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补,使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子,所以称为受主原子。+4+4+3+4空
18、穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子,电子是少子。第39页,本讲稿共72页杂质半导体的示意表示法:杂质半导体的示意表示法:P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系,起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第40页,本讲稿共72页载流子的复合与寿命载流子的复合与寿命 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子掺杂半导体中,新产生的载流子数量远远超过原来未掺入杂质前载流子的数量,半导体的导电性质主要由占多数的新产生的载流子来决定,所以,在P型半导体中,空穴是多数载流子,而电子是少数载流子。在N型半导体中,电子是多数载流
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